夏季高温条件下室外热感觉特性研究

夏煦 王汉斌 吴运龙 胡孝俊

1重庆建工集团

2重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室

夏季高温条件下室外热感觉特性研究

夏煦1王汉斌2吴运龙2胡孝俊2

1重庆建工集团

2重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室

本文针对夏季城市中的高温天气情况，通过现场的环境测试和问卷调查，得到了人体高温条件下室外热感觉的基本规律，并在此基础上，采用BIN分析法得到了人体室外的热感觉、湿感觉、风感觉对室外热环境参数的量化模型，并对模型进行了可接受区间值的求解，得到了在室外高温环境条件下人体可接受参数分布范围，相关参数的提出为室外人体热感觉的相关研究提供了参考。

高温气候室外热感觉热环境参数

1 研究背景

夏季高温天气是一种十分不利的自然环境，由于近年来城市化迅速发展导致的城市热岛效应[1]和温室气体导致的大气环境温度上升越来越显著，这些因素进一步使城市的夏季室外热环境变得越来越恶劣。高温天气作为一种极端的天气条件，对人体的健康是十分不利的，极易引起人体的不舒适，并可能导致中暑，严重的甚至导致死亡[2]。在已有的室外环境相关研究中，初步探讨了室外人体热舒适与室外环境相关参数的关系[4～11]，但是这些研究缺乏专门针对高温气候条件下的室外热感觉研究，对其特性缺乏深入认识。本文主要针对夏季高温条件下室外热环境因素对人体热感觉影响进行了研究，通过建立夏季高温条件下室外人体热感觉、湿感觉和风感觉模型得出了室外活动人员的可接受温度、湿度和风速范围，为在更宽的室外温度范围内研究人体的热感觉特性提供了参考。

2 测试过程

2.1 测试基本情况

城市的建筑布局、绿化方式、下垫面材料、人员的密度等共同影响着城市局部气候。在炎热的夏季，人员在室外的行径具有明显的选择性。本文的测试工作在综合考虑了上述的因素后，在重庆主城区选择较有代表性和人流量相对较大的区域进行测试。所测试的区域有沙坪坝区、江北区步行街、渝中区日月光广场和九龙坡区步行街，分为主观问卷和环境参数测试两部分。

2.2 主观问卷调查

在本研究中，问卷调查的对象是在测试点附近活动的人员，采取随机选取，并填写相关的主观调查问卷。室外环境的测试是每隔一小时测试一次，在测试的间隙进行问卷调研。人体的热反应是和其所处的环境是密切联系的。本次研究中共发放问卷542份，收回有效问卷529份。

被调查人员男女构成比例分别为57%和43%，男性比女性多14%。表1为调研人员的年龄、身高和体重等基本信息。

为了结合后期的分析，调研过程中，对人员的活动水平进行了统计，图1表示的是人员活动水平分布。从图中可以看出，调研期间人员的主要活动是静坐休息和行走，占全部人数的96.03%。从事一般性运动的人员占3.78%，剧烈运动的只有0.19%。

3 环境测试参数分析

在此次研究中，共进行了8天测试，得到了重庆地区夏季室外上午11:00到下午17:00室外环境的相关热环境参数（图2～5）。从测试的数据中可以看出重庆夏季的室外热环境处于高温条件，正是本文研究中所期望的天气。测试期间室外空气温度最高为40.8℃，最低为28.6℃，平均温度为35.76℃。在重庆夏季室外上午11:00到下午17:00期间，室外的相对湿度较低，平均相对湿度为40.84%，最高相对湿度为64.2%，最低为32.6%，且多分布在50%以下，占到了88.46%。室外的空气流动速度与室内相比，具有较大的变化范围且波动性较大，介于0.2m/s到2.02m/s之间，基本都在1.6m/s以下，占到了96.15%，平均风速为0.65m/s。重庆地区夏季太阳能资源丰富，并且辐射强度较高，测试期间最高辐射强度为941.5W/m2，最低为168.19W/m2，平均辐射强度为600.55W/m2，辐射强度有一半以上都分布在700W/m2到900W/m2之间，占59.62%。

4 主观问卷调查分析

4.1 TSV分布频率

本研究中共获得了529份有效问卷，通过对数据的处理分析，得到了如图6所示的人员热感觉投票分布频率。从图6中看以看出，认为重庆夏季室外热环境可接受即热感觉投票在-1到+1之间的仅占38.94%，其中感觉舒适即投票为0的仅占14.18%；认为重庆夏季室外热环境不可接受的占61.06%。分析表明，重庆地区夏季室外热环境条件较为恶劣，急需改善室外热环境条件。

4.2 HSV分布频率

通过对有效问卷的分析，得到了如图7所示的湿感觉投票分布频率，近似服从正态分布。从图中可以看出，可接受的湿感觉投票占76.56%，其中感觉舒适的占29.3%，感觉有点潮的占30.06%，感觉有点干的占17.2%。认为不可接受的人群占23.44%，其中认为很潮的占4.73%，感觉潮的占12.1%；感觉干的占4.35%，感觉很干的占2.27%。

从DIVA-GIS数据库(http://www.diva-gis.org/)免费获取DIVA-GIS(Version 7.5)软件包和中国地形高程图。中国行政区划矢量地图来源于国家基础地理信息中心(http://nfgis.nsdi.gov.cn/)，地图比例尺为1∶4000000。在DIVA-GIS软件中，以中国行政区划矢量图和高程图为底图，导入紫玉兰地理分布数据，绘制实际地理分布图。利用与DIVA-GIS耦合的BIOCLIM模型，分别预测紫玉兰的当前适生区和未来潜在分布区。

4.3 WSV分布频率

通过对有效问卷的分析，得到了如图8所示的风感觉投票分布频率。从图中可以看出，感觉舒适的人群占13.61%%，感觉舒适有风的人群占33.08%，感觉风大的人群占0.38%，没有调查对象感觉风速很大。感觉很闷的人群占6.99%，感觉闷的人群占13.61%，感觉有点闷的人群占32.33%。

5 评价模型的建立

5.1 热感觉评价模型

在室外热舒适的研究中，一般选用的用来评价热舒适的指标有空气温度Ta，有效温度ET*以及标准有效温度SET*[12]，各个指标都有各自的优点和不足。空气温度Ta直接测量而得，作为评价指标比较直观；有效温度虽然综合考虑了干球温度、空气湿度以及风速对人体热感觉或冷感觉的影响，但是一般适用于身着标准服装和坐着工作的人舒适性评价；标准有效温度SET*是以人的生理反应为基础，通过人体传热分析推导出来的，但是其计算复杂，应用并不广泛。所以，在本文的研究中采用空气干球温度Ta作为评价指标。

在本文研究中，采用了温度频率法也即BIN法来研究温度和热感觉的关系。温度频率法是以0.5℃的间隔将温度划分为多个连续的区间，并将不同区间内热感觉投票取平均。在经过处理后，以各个温度区间的中心温度为自变量，平均热感觉投票MTSV（Mean Thermal Sensation Vote）为因变量进行线性回归分析。本文采用温度频率法进行线性回归分析，结果如图9所示。

回归关系式为：

从回归方程可以看出，空气温度Ta与平均热感觉投票的相关系数为0.9124，说明二者之间的相关性比较高，且显著性水平P<0.5，说明所求的样本回归直线具有意义，能够较好地预测室外人体的热感觉。

5.2 湿感觉评价模型

本文中，测试期间空气相对湿度最高为64.2%，最低为32.6%，且多分布在50%以下，占到了88.46%。同样按照温度评价中的频率法（BIN法），将空气相对湿度按照5%的区间间隔进行划分，计算湿感觉投票的平均值。以每个区间内中心空气相对湿度φ为自变量，平均湿感觉投票（MHSV）为因变量进行一次线性回归分析，如图10所示。

拟合关系式为：

从拟合结果看，相关性系数达到了0.9534，表明二者的相关性较高，且显著性水平P<0.5，表明所求的样本回归直线具有意义，说明在高温偏热环境条件下，人体对空气相对湿度的敏感性较高。

5.3 风感觉评价模型

风是由空气流动而产生的，自然界中影响空气流动的因素众多，所以风速也是一直处于一个波动状态。在室外热舒适的研究中，空气流动可以对人的热感觉起到积极的作用，也能起到消极的作用。一般来说，在室内环境中，室内空气流速一般较低，风速较大的话就会引起吹风感造成人体的不舒适感。但是在偏热的环境中，适当的空气流动能够明显地改善人体的热感觉。

虽然在测试中，重庆地区室外的风速较小，但是也能在一定程度上改善人体的热感觉。根据上述的温度频率法，将风速按照0.2m/s的间隔进行区间划分，并计算区间内的风感觉投票的平均值。以每个区间的中心风速值v为自变量，风速平均风感觉投票MWSV（MeanW ind Sensation Vote）为因变量进行一次线性回归分析，如图11所示。

拟合关系式为：

从回归方程可以看出，相关系数为0.8287，且显著性水平P<0.5，说明所求的样本回归直线具有意义，能够较好地预测人体对风速的感觉。

6 评价模型分析

当人在所处的环境中处于不冷不热的状态，则这种状态可称为“热中性”状态，也即MTSV=0。本文根据热中性状态的定义，令式（1）等于零可以求得“热中性”温度T。另外根据可接受温度的计算方法也可以根据式（1）计算出可接受温度的变化范围，即当MTSV处于-1到+1之间时，其温度即为可接受的温度。

通过热感觉评价模型的计算可知：“热中性”温度为27.84℃，可接受的温度变化范围为23.91℃~ 31.77℃。同理采用湿感觉评价模型，计算出中性湿度为45.32%，可接受的湿度范围为33.29%～56.37%。采用风感觉评价模型，中性风速为1.07m/s，可接受的风速范围为0.34m/s～1.80m/s。

7 结论

本文针对夏季高温气象条件下的人体热感觉问题，进行了现场的环境测试和问卷调查，并根据测试调研数据对人体的热感觉、湿感觉和风感觉投票的分布频率进行了统计分析，并建立了人体的热感觉、湿感觉和风感觉评价模型，得出了室外人体可接受的温度、湿度和风速范围分别为23.91～31.77℃、33.29%～56.37%、0.34～1.80m/s。相关参数的提出为室外热环境对人体的影响研究提供了参考。

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Re sea rc h on The rm a l Sense un de r the Situa tion o f H igh Tem pe ra tu re

XIA Xu1,WANGHan-bing2,WU Yun-long2,HU Xiao-jun2
1Chongqing Construction Engineering Group
2 Key Laboratory of the Three GorgesReservoir Region’s Eco-Environment, M inistry of Education,Chongqing University

The characteristics of thermal sense under hot summerwas researched based on the field investigation and questionnaire.Themodels of thermal sense,hum idity sense and w ind sense were set up through the Bin method.And also the scalesof thermal parameterswere provided based on themodels,which could be the reference for the research ofoutdoor thermalsense.

hotweather,outdoor thermalsense,thermalenvironmentparameters

1003-0344（2014）03-008-4

2013-5-29

夏煦（1975～），男，硕士，高工；重庆建工集团（401122）；023-63500756；E-mail:luoqing96@163.com

国家自然科学基金（51178481，50808182）；中央高校基本科研业务费（CDJZR10210008，106112012CDJZR210004）。